高壓并聯電容器投切開關重擊穿抑制技術

鄒振球

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214112）

高壓并聯電容器在電力系統中具有補償無功消耗的功能。但是在其投切過程中易出現重擊穿問題，如在其未接通狀態下，電容器電路中無電流，而在電容器合閘的一瞬間，電網中的電流流入電容器，并且電路此時的阻抗較小，會產生較大的合閘涌流現象，進而引起電容器電路的重擊穿問題，導致電路上的裝置和設備被損壞。所以，應通過對高壓并聯電容器投切開關重擊穿抑制技術的研究分析，對合閘涌流或分閘過電壓進行有效抑制，以保護并聯電容器的安全可靠運行。

1 高壓并聯電容器投切開關重擊穿產生的原因分析

高壓并聯電容器投切開關形成重擊穿的原因較多，如開關斷路器切除電容器形成過電壓、電容器合閘形成涌流等，導致斷路器或是電容器被過電壓電流擊穿。電容器在投切過程中形成過大的合閘涌流，或過高的分閘過電壓等，均會對斷路器產生重擊穿，并且在擊穿后電壓還會增加，對于電力系統的安全運行產生較大的影響。所以針對合閘涌流與分閘過電壓產生原因進行分析，為投切開關重擊穿抑制技術的運用提供參考。

1.1 合閘涌流原因

高壓并聯電容器在接入電網后，與斷路器一起形成單相等效電路，斷路器投切電容器單相等效電路如圖1所示。圖1中的u（t）為電源電壓，i（t）為電流，BRK為斷路器，R為電阻，L為整個電路的總電感，C為電容。電源電壓u（t）=Umsin（wt+θ），根據等效電路圖確定單相電容器投入電力系統后的回路電壓方程式如下

圖1 斷路器投切電容器單相等效電路圖

式中：Um為電源電壓正弦穩態的峰值；w為正弦穩態角頻率；θ為初相角；uc（t）為電容電壓；i（0+）與uc（0+）分別為斷路器閉合的電流初始值與電容器兩端電壓初始值，通過求解微分方程，獲取回路電容電壓與電容電流公式后，進行電容合閘涌流的計算，在不考慮電阻R的情況下，假設I0=0，最終獲取電容電流公式

式中：wn是暫態分量；Imcos（wt+θ）為穩態分量，兩者相加得到了電容器電流，即是單相電容器在投入系統后產生的合閘涌流，根據以上公式可以看出，與產生合閘涌流相關的電路參數有θ、U0與時間t。

1.2 分閘過電壓原因

在高壓電網中多個電容器并聯組成電路，如圖2所示，每個單相電容器（C1、C2、C3）都有各自的三相交流電源電壓（uA、uB、uC）、總電感（L1、L2、L3）、斷路器（A與A1，B與B1、C與C1），N為中性點，CN為中性點N的對地雜散電容，對地雜散電容跨接在線路與地之間，在單相電容器失效后，對地雜散電容具有保護作用，不會引發電擊風險，其中三相交流電源電壓計算公式如下

圖2 高壓并聯電容器電路

（1）在電容器正常分閘時，t=0，uA（t）=Um為最大電壓值，B與C相獲取uB、uC電源，當uB（t）與uC（t）為最大值時，B和C相為切斷狀態，電容器的電壓穩定。因此，在電路正常運行狀態下，電容器分閘正常，不會形成過電壓。

（2）分閘重擊穿，在A相t=10 ms時，分閘處于半工頻狀態，A相斷路器觸頭恢復電壓峰值會產生重擊穿問題。主要是因為電路中的電壓集中在CN上，在A相遭到重擊穿后，其極間電壓變化較小，增加了N對地電壓，B相與C相對地電壓與斷路器電壓重新分布，受到A相重擊穿的牽連，恢復電壓一旦超過電容器抗沖擊能力，則會損壞電路上的電器設備。此外，電路上的斷路器在發生切除動作后，有形成二次重擊穿的可能，致使過電壓大幅度增加，從而進一步的擴大重擊穿影響范圍，對電力系統及電力設備產生較大的危害。

2 重擊穿抑制預充電裝置的設計與應用

在電力系統中應用真空斷路器投切電容器發生合閘涌流后，過大的電流會損壞電路上的設備，尤其是斷路器上的金屬觸頭，在燒蝕后引起觸頭接觸不良，電場分布不均，會形成更高的電流，使斷路器在切除電容器時形成過大電壓，最終由合閘涌流引起重擊穿。而在電容器上安裝預充電裝置，在電路合閘之前，完成三相電路中某個或幾個電容器充電，使投切開關在合閘后暫態分量最小，三相電路中的電流直接進入穩態，形成對合閘涌流的抑制作用。

2.1 預充電抑制思路

并聯電容器在電力系統中進行投切動作時，電容器的U0=0，線路中阻抗較小，而處于并聯的三相電容隨機合閘，那么電源電壓也是隨機的，從而形成了合閘涌流。例如，在高壓系統中，并聯三相電容電路中性點作接地處理，電源設置消弧線圈，然后再進行接地處理。本文基于高壓條件進行電容器的預充電，在電容器做合閘動作時，借助電容器中的電流消減合閘涌流，將涌流控制在安全范圍內，以形成對投切開關重擊穿的抑制效果。較為理想的抑制效果是在電源電壓增長至峰值的一半時，進行電容器合閘動作，使合閘時的電流為0，電路中的電流正弦增長，電流不會出現大的波動，也就不會產生電容器投切合閘涌流的重擊穿問題。

2.2 預充電方案設計

2.2.1 確定預充電時刻

基于上文高壓并聯電容器投切開關合閘涌流及分閘過電壓發生的原因分析，利用電容器投入電力系統后的回路電壓方程與三相電源電壓計算公式，推導出回路中電容電壓公式如下

式中：K1與K2為系數；α為衰減系數；ωn為關合涌流角頻率；t為時間；Um為電源電壓峰值；ω為正弦穩態角頻率；e為電源電動勢；φ為電容電壓相位角。結合上文的電容電流公式ic（t），確定電容器投切開關過程中與回路電流有關的參數有θ、U0與時間t，當回路中的初始電壓U0=Um，θ=90°時，電容器在合閘后ic（t）=-Imsin（ωt），回路中無電流沖擊，也就是說在電流相角θ為90°的條件下，電容器合閘時斷路器兩側電壓差約等于0，回路中電壓穩定，不會形成合閘涌流。所以，在高壓并聯電容器預充電抑制解決方案中，在高壓并聯電容器的回路中設置預充電裝置，將斷路器兩側電壓差控制在接近于0的狀態，然后在此時刻合閘，可達到抑制投切開關重擊穿的效果。

2.2.2 高壓并聯電容器預充電流程

如圖3所示，在高壓并聯電容器回路中，電容器C1、C2、C3的線路上分別串聯了等效電感L1、L2、L3，以及斷路器BRK1、BRK2、BRK3，并且在斷路器上分別并聯二極管（D1、D2、D3），同時斷路器與電源（uA、uB、uC）之間串聯投切開關（S1、S2、S3），用來控制二極管投切。在圖3中C1電容器與D1二極管為正聯，實現電源uA給C1充電的目的，而D2和D3則是為反聯，在給C2與C3充電的同時，2個二極管與C1建立通路，以此實現整個高壓并聯電容器組的預充電。在電容器投切之前，閉合3個投切開關，接通3個二級管，使電源為電容器充電，至斷路器兩側電壓差接近0時電容器合閘，從而避免合閘涌流現象的出現。

圖3 高壓并聯電容器預充電電路圖

結合圖3電容器的充電流程，使用投切開關控制二級管，假設其通態電阻等于0，進行電容器C1、C2與C3充電電壓（uc1、uc2、uc3）的計算，具體計算公式如下

式中：uAB為AB回路的線電壓等效電壓源；UAC為AC回路電壓源。在高壓并聯電容器充電后，uc1是和的1/2倍，且當在充電的1/4周期時，BC回路電壓相等，所以將此刻確定為充電初始時刻，即高壓并聯電容的合閘時刻，線路中3個斷路器兩側電壓差接近0，電容器在此時投切最為安全，實現對合閘涌流的有效抑制。

3 重擊穿抑制涌流抑制器的設計與應用

3.1 涌流抑制器應用思路

在高壓并聯電容器的第三繞組與電源之間設置涌流抑制器（二階欠阻尼電路與分壓器），在接通回路的電源后先給第三繞組通電，穩定回路上變壓器的交變磁通，使電容器各個繞組的相位保持一致，以形成對合閘涌流的抑制。交變磁通ψ2=-Φmcos（ωt+α），式中：α為合閘角；Φm為勵磁電感；ω為電容器電抗值；t為電容器運行時間。假設電容器有功功率損耗為0，接通回路電源后中：u為電容器電源側電壓；Um為分閘線圈帶電信號；d為合閘時電容器瞬時鐵心損耗；dt為一次側電感；ψ為鐵芯磁鏈；C為電容值。基于鐵芯磁鏈保持守恒公式-Φmcos（ωt+α）|t=t0+C=cos（ωt+α），在初始運行時間t=t0的條件下，ψ=C=0。利用以上公式進行推測，在高壓并聯電容器完成合閘后，在任意時間將第三繞組切除，電容器仍然能保持穩態運行。

3.2 涌流抑制器抑制方案

在高壓并聯電容器的第三繞組上接入涌流抑制器，通過調整二階欠阻尼電路的阻尼比，形成對回路中的電壓頻率與相位的控制，以消除電容器合閘涌流。使用輸入電壓源公式與二階欠阻尼期望電壓公式為，式中：T為時間常數；并采取輸入與輸出信號的轉換為Umω以此計算出二階欠阻尼的傳遞函數為H（s）=U0（s）/Ui（s），同時設定α的變化區間，αmin≤α≤αmax，amin=0，amax=2π，式中：αmin為最小合閘角，αmax為最大合閘角，帶入輸入輸出信號公式簡化后通過公式推導可以確定，增加時間常數T，對α合閘角不會產生較大的影響，可維持第三繞組升壓的穩定性，電壓頻率波動較小，那么鐵芯磁通變化處于穩態，也就不會形成過大的合閘涌流。基于以上分析，在抑制高壓并聯電容器合閘涌流過程中，需要準確選擇電容、電感與電阻等，以明確電容器涌流抑制的控制特性。具體公式為式中：U2N為電容器二相繞組額定電容值；U3N為三相繞組額定電容值；R1、R2為電阻，L為電感、T為時間常數。

3.3 涌流抑制器合閘參數

使用并聯電容器電壓開路計算公式UD=，式中：UD為并聯電容器開路電壓；UT為高壓并聯電容器回路上變壓器一次側電壓值；Il為最大功率電流；m為電容器電路調制度；A為電路電流；ωf為轉速；Lm1與Lm2為電感值。在電容器最大功率條件下，電路調制度m與UD成反比，m越小UD越大，那么在電容器合閘時，可承受的涌流也就越高。如果電容器處于最小功率條件，直流電壓小，m為最大值，電容器最低開路電壓計算公式為在高壓并聯電容器運行穩定的情況下，一般輸出頻率在48.5～50.5 Hz，結合電容器的最大與最小電壓，繪制出合閘區域圖，如圖4所示。

圖4 高壓并聯電容器合閘區域

在高壓并聯電容器串聯繼電器BRK1與BRK2閉合狀態下，進行電壓值與頻率的檢測，如果檢測值處于圖4的陰影區，則高壓并聯電路運行正常，可以接通BRK3，不會形成過大的涌流。如果檢測值不在陰影區域，則斷開繼電器BRK1與BRK2，不進行電容器合閘動作。此外，在繼電器BRK1與BRK2閉合后，檢測電容器的輸出電壓正常，可適當增加T值，延長電容器穩定電壓的時間，可選用多個T值進行調試，直至涌流抑制效果最佳。

3.4 涌流抑制器應用流程

為了保證涌流抑制器的應用效果，在高壓并聯電容器不同時期合閘時，進行合閘時序的準確設計，在電路接通伊始，高壓并聯電容器升壓瞬間，采用復位操作斷開并聯電容器的繼電器。使并聯電路上的各個裝置完成初始化；在電容器投切完成后，待機狀態下檢測其直流電壓。如果電壓值不在高限值與低限值的范圍內，重新調整電容器進入初始狀態。如果直流電壓值在正常值范圍內，閉合繼電器BRK1與BRK2并檢測電容器輸出電壓與頻率，同時增加T值，再進行電壓與頻率檢測，如果兩次檢測結果正常，就可閉合繼電器BRK3，以實現高壓并聯電容器的安全投切。

4 結束語

電力系統對于運行的穩定性與可靠性有著較高的要求，高壓并聯電容器作為電力系統安全運行的保障機制，具有改善供電質量的作用。但是由于在其投切開關過程中，出現合閘時的涌流現象，使電容器電路上的電流瞬間增加，或者是斷路器分閘時，電容器兩側殘留電壓過高，導致電路發生重擊穿現象，使斷路器及電容器被損壞，進而危及到電力系統的可靠運行。所以，本文通過重擊穿產生原因的分析，查找重擊穿的成因，并在高壓并聯電容器的電路上接入抑制重擊穿的預充電裝置與涌流抑制器，切實地解決電容器投切開關的重擊穿隱患，充分發揮出高壓并聯電容器的作用，保障電力系統長期安全穩定的運行。